自抗扰控制技术在电动缸伺服系统中的研究

自抗扰控制技术在电动缸伺服系统中的研究
秦幸妮;姜明;刘彦艳;潘军
【摘要】某舰炮高低系统采用电动缸传动方式,对高低系统进行分析,得出电动缸伺服系统的电机转动与火炮身管转动存在非线性关系,提出将自抗扰控制技术应用于
电动缸伺服系统,设计了用于系统位置环的自抗扰控制器.利用MATLAB软件对采
用自抗扰控制器的电动缸伺服系统进行了仿真研究,并与传统PID控制的结果进行
对比分析,仿真结果表明,基于ADRC的电动缸伺服系统响应速度快、稳态误差小、无超调、定位精度高、跟踪误差小.
【期刊名称】《火炮发射与控制学报》
【年(卷),期】2019(040)001
【总页数】4页(P49-52)
【关键词】高低系统;电动缸;非线性;自抗扰控制
【作者】秦幸妮;姜明;刘彦艳;潘军
【作者单位】西北机电工程研究所, 陕西咸阳 712099;西北机电工程研究所, 陕西
咸阳 712099;中国人民解放军63961部队, 北京 100012;西北机电工程研究所, 陕西咸阳 712099
【正文语种】中文
【中图分类】TJ391
为提高系统的的战技指标，某大口径舰炮高低系统采用电动缸传动方式。

电动缸作
为一种新颖的机电一体化产品，具备高精度，高传动效率，响应快，承载能力范围宽，适应性强，寿命长，易于维护、保养等优点，在航空航天、武器装备等领域得到越来越多的关注与应用。

段学超在设计大型射电望远镜中采用带前馈的数字PID伺服滤波器实现电动缸的
高精度轨迹跟踪[1]。

邓飙等在双电动缸起竖设备的设计中采用模糊PD同步控制器，有效抑制启动段的同步误差及克服负载扰动对同步误差的影响[2]。

陈国迎等
在转向台架加载系统的研究中采用PID力闭环控制和串联校正方法使电动伺服系
统加载力能快速跟踪目标值，同时减小扰动下多余力的影响[3]。

笔者对采用电动缸驱动的大惯量伺服系统进行分析，得出电机转动与身管转动存在非线性关系。

为提高系统的稳定性和控制精度，将自抗扰控制技术应用于某舰炮高低系统。

基于Simulink平台进行建模仿真，并与传统PID控制的结果进行对比分析。

1 电动缸伺服系统分析
电动缸伺服系统的运动示意图如图1所示。

图1中，O为火炮身管回转中心，O1为电动缸下支点，O2为电动缸上支点。

电
动缸推杆的伸缩带动火炮身管的转动。

转臂半径为R，电动缸下支点到回转中心
的距离为L1，电动缸的闭合长度为L2，推杆伸出长度为x，减速比i，丝杠导程s。

电动缸推杆伸出量为0时,火炮身管处于最低角，当推杆伸长时火炮身管转动α，
需要计算出电机转动的机械角度θ0和火炮身管转动角度α的关系。

根据余弦定理可以推导出：
(1)
式中，
可以得到：
(2)
(3)
由式(2)可以看到α与θ0为非线性运动关系。

由式(3)可以看到高低系统调炮速度与电机转速呈非线性关系。

因此,考虑将自抗扰控制技术应用于电动缸伺服系统。

2 自抗扰控制器设计
自抗扰控制器(ADRC)包含3 个部分[4] : 跟踪微分器(TD)，扩张状态观测器(ESO)和非线性反馈控制器(NLSEF)，如图2所示, 图中b0为可调参数,θ为给定输入角度,y为被控对象输出角度, f 为外界干扰, x1和x2为TD的输出，z1、z2和z3为ESO的输出，u0为NLSEF输出, u为ADRC控制器输出。

2.1 跟踪微分器(TD)
根据输入角度θ安排过渡过程及提取微分信号[5]。

(4)
其中：
式中:h为积分步长；r决定跟踪快慢；h0决定滤波作用[6]。

2.2 扩张状态观测器(ESO)
根据输出角度y和控制量u估计系统状态和扰动[7]:
(5)
式中：
β1、β2、β3为误差校正增益；a1、a2为非线性因子；δ为滤波因子。

2.3 非线性反馈控制器(NLSEF)
状态误差的非线性反馈律及扰动补偿[8]。

(6)
式中：β01为误差增益；β02为误差微分增益；a01、a02为非线性因子；b0为补偿因子。

3 电动缸伺服系统数字仿真
高低系统采用位置环、速度环、电流环组成的三环结构控制[9]。

根据上节分析，在位置环应用自抗扰控制技术，通过对电机转速的控制，驱动火炮跟踪瞄准。

在Simulink中建立电动缸伺服系统仿真模型，如图3所示。

系统部分参数：J=71 800 kg·m2，T mc=2 200 N·m，Trd=8 000 N·m。

电动缸的电机参数：n=3 000 r/min，Tm=636 N·m，Imd=460 A，Jm=0.8 kg·m2，Ci=2.5，减速器传动机构空回为0.333°。

为了验证设计的自抗扰控制器的优越性，对采用带前馈PID 控制器及自抗扰控制器(ADRC)的伺服系统分别进行Simulink 仿真分析。

调炮1 500 mrad，带前馈PID控制系统、自抗扰控制系统的阶跃响应曲线如图4所示。

由图4可知，带前馈PID控制系统的调炮误差不大于0.09 mrad；ADRC 控制系统的调炮误差不大于0.02 mrad，响应速度快，且无振荡与超调，验证了ADRC控制技术使高低系统具有良好的阶跃跟踪性能。

高低系统以30 °/s的调炮速度进行仿真实验，带前馈PID控制系统、自抗扰控制系统的跟踪位置曲线如图5所示。

由图5可知，带前馈PID控制系统的跟踪误差
不大于1.01 mrad；ADRC控制系统的跟踪误差不大于0.02 mrad。

采用ADRC
控制技术使系统能更快、更准确地跟踪位置主令，验证了ADRC控制技术使高低
系统具有良好的等速跟踪性能。

高低系统进行振幅30°，周期为6.28 s的正弦跟踪，带前馈PID控制系统、自抗
扰控制系统的跟踪位置曲线如图6所示。

由图6可知，带前馈PID控制系统的跟
踪误差不大于1.45 mrad；ADRC控制系统的跟踪误差不大于0.17 mrad。

ADRC 控制系统的位置反馈曲线紧紧跟随位置主令，将误差值控制在较小范围内，验证了ADRC控制技术使高低系统具有良好的正弦跟踪性能。

4 结束语
针对某舰炮高低电动缸伺服系统中的非线性环节,采用自抗扰控制技术进行仿真研究。

通过与经典控制器仿真对比及分析, 表明了ADRC控制的优越性,从而为电动
缸伺服系统设计提供了一种新的技术途径。

参考文献
【相关文献】
[1] 段学超.柔性支撑Stewart平台的分析、优化与控制研究[D].西安：西安电子科技大学，2008.
[2] 邓飙，张潇，郭君斌，等.双电动缸起竖设备同步控制策略仿真研究[J].机床与液压,2016,44(9)：123-127.
[3] 陈国迎，何磊，宗长富，等.基于电动伺服系统的转向试验台阻力加载策略的研究[J].汽车工
程,2018,40(2)：226-233.
[4] 韩京清. 自抗扰控制技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013:46-351.
[5] 韩京清，袁露林.跟踪-微分器的离散形式[J]．系统科学与数学，1999,19(3)：268-273.
[6] 韩京清.自抗扰控制技术[J]．前沿科学，2007(1)：24- 31.
[7] 韩京清.一类不确定对象的扩张状态观测器[J]．控制与决策，1995,10(1)：85-88.
[8] 韩京清.从PID技术到“自抗扰控制”技术[J]．控制工程,2002,9(3):13-18.
[9] 陈明俊, 李长红，杨燕. 武器伺服系统工程实践[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013:9-15.。